(57)【要約】【課題】圧損を悪化させない範囲で所望の凝集効果を得ることができる接地電極（金属メッシュ５）の形態を提供することにある。【解決手段】凝集器１は、排気管２に接続されて排気通路の一部を形成するハウジング３と、このハウジング３に取り付けられる放電電極４と、この放電電極４より排気流れ方向の下流側に配置される接地電極とを有し、放電電極４と接地電極との間に高電圧を印加してコロナ放電を発生させ、排気ガスに含まれるＰＭを静電凝集する装置である。  接地電極は、多数の通気孔を有する円形状の金属メッシュ５によって形成される。その金属メッシュ５は、通気孔の開孔率が３０％〜９０％に設定され、且つ個々の通気孔は、凝集して粗大化したＰＭ群の通過を妨げない程度の大きさを有している。具体的には、通気孔に内接する内接円の直径を目開きと定義した場合に、この目開きが０．５ｍｍ〜２ｍｍに設定されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気通路内に配設される放電電極と接地電極との間に高電圧を印加することで、前記排気通路内にコロナ放電場を形成し、そのコロナ放電場に排気ガスが流れる際に、その排気ガスに含まれる粒子状物質を静電凝集する凝集器を備えた排気浄化装置であって、
前記接地電極は、前記放電電極より排気流れ方向の下流側に前記排気通路内を横切って配置されると共に、凝集した粒子状物質が通過できる開口部を多数有する導電性の構造体によって構成され、この構造体の排気流れ方向に対する全投影面積に占める前記開口部の面積割合が３０％〜９０％に設定されていることを特徴とする排気浄化装置。
【請求項２】
請求項１に記載した排気浄化装置において、
前記接地電極を構成する構造体は、前記開口部の形状に内接する内接円の直径を目開きと定義した場合に、この目開きが０．５ｍｍ〜２ｍｍに設定されていることを特徴とする排気浄化装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載した排気浄化装置において、
前記接地電極を構成する構造体は、前記開口部の形状が四角形または六角形を含む多角形、あるいは円形または楕円形を含む丸形に形成された金属メッシュであることを特徴とする排気浄化装置。
【請求項４】
請求項３に記載した排気浄化装置において、
複数枚の前記金属メッシュを排気流れ方向に重ねて配置、あるいは所定距離だけ離して配置していることを特徴とする排気浄化装置。
【請求項５】
請求項１または２に記載した排気浄化装置において、
前記接地電極を構成する構造体は、排気流れ方向に奥行きを有する多孔質体であることを特徴とする排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コロナ放電を利用して排気ガスに含まれる粒子状物質を凝集する凝集器を備えた排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ディーゼルエンジンの排気ガスに対する規制が年々強化されており、特にカーボンを主成分とする粒子状物質（以下、ＰＭ）の低減が急務となっている。
排気ガスに含まれるＰＭを除去する装置として、例えば、ディーゼルパティキュレートフィルタが知られているが、このフィルタによるＰＭの捕集率を高めるために、コロナ放電を利用してＰＭを静電凝集させる方法が検討されている。この方法は、排気管の内部にコロナ放電場を形成し、そのコロナ放電場に排気ガスが流れる際に、排気ガスに含まれるＰＭが帯電することにより、その帯電したＰＭを静電力によって凝集する方法である。
また、特許文献１には、排気通路内の剪断方向に網体を配設し、その網体に高電圧の電流が流れる様に構成された排気ガス減少器が提案されている。
【特許文献１】実開昭５３−３７８１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記のＰＭを静電凝集させる方法では、排気管の内周壁を集塵電極として利用しているため、帯電したＰＭが静電力によって集塵電極側へ移動する速度が遅く、効率良く凝集することが困難である。特に、排気流量が多くなると、ＰＭが排気流れに押し流されて集塵電極側へ移動できず、凝集されないままフィルタに流入することがある。
これに対し、特許文献１に記載された網体を集塵電極として利用することが考えられる。この場合、網体は、排気流れと直交するように、排気通路内を横切って配置されるので、ＰＭを効率良く凝集できると共に、排気流量が多い時でも、排気流れと直交する金属メッシュにおいてＰＭを静電凝集できる。
【０００４】
しかし、上記の特許文献１には、排気通路内の剪断方向に網体を配設することが述べられているだけであり、網体の諸元（例えば、網目の開孔率、網目の形状、網目の大きさ等）までは全く開示されていません。また、特許文献１は、コロナ放電を利用してＰＭを静電凝集する技術ではないため、単純に、特許文献１に記載された網体を集塵電極として利用するだけでは、所望の凝集効果を期待できない。特に、凝集効果を高めるために網目の開孔率を小さくすると、圧損が上昇してエンジンの出力低下を招く恐れがある。
本発明は、上記事情に基づいて成されたもので、その目的は、排気通路内を横切って配置される接地電極を有し、この接地電極が多数の開口部を有する導電性の構造体（例えば、金属メッシュ、多孔質体等）によって構成される排気浄化装置において、圧損を悪化させない範囲で所望の凝集効果を得ることができる接地電極の形態を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
（請求項１の発明）
本発明は、排気通路内に配設される放電電極と接地電極との間に高電圧を印加することで、排気通路内にコロナ放電場を形成し、そのコロナ放電場に排気ガスが流れる際に、その排気ガスに含まれる粒子状物質を静電凝集する凝集器を備えた排気浄化装置であって、接地電極は、放電電極より排気流れ方向の下流側に排気通路内を横切って配置されると共に、凝集した粒子状物質が通過できる開口部を多数有する導電性の構造体によって構成され、この構造体の排気流れ方向に対する全投影面積に占める開口部の面積割合が３０％〜９０％に設定されていることを特徴とする。
【０００６】
上記の構成では、排気通路内を横切って接地電極を配置している、すなわち排気流れと直交して配置しているので、排気ガスに含まれる粒子状物質（ＰＭ）を接地電極において効果的に静電凝集できる。
また、接地電極は、多数の開口部を有する構造体によって構成され、その構造体の開孔率（構造体の排気流れ方向に対する全投影面積に占める開口部の面積割合）が３０％〜９０％に設定されるので、圧損を悪化させない範囲で所望の凝集効果を得ることができる。つまり、構造体の開孔率が３０％を下回ると、構造体の表面積が広くなることで凝集効果は高くなるが、その反面、圧損が急激に増大する。また、構造体の開孔率が９０％を超えると、構造体の製造自体が困難になる。従って、構造体の開孔率を３０％〜９０％に設定することで、圧損を悪化させることなく、凝集効果の高い凝集器を実現できる。
【０００７】
（請求項２の発明）
請求項１に記載した排気浄化装置において、接地電極を構成する構造体は、開口部の形状に内接する内接円の直径を目開きと定義した場合に、この目開きが０．５ｍｍ〜２ｍｍに設定されていることを特徴とする。
目開きを小さくすると、凝集性能は向上するが、目詰まりを生じ易くなる（圧損が大きくなる）。一方、目開きを必要以上に大きくすると、凝集性能が低下する。そこで、排気流速との関係から目開きの最小値を求め、凝集性能との関係から目開きの最大値を求めると、目開き＝０．５ｍｍ〜２ｍｍに設定されることにより、目詰まりを生じることなく、所望の凝集性能を確保できる。
【０００８】
（請求項３の発明）
請求項１または２に記載した排気浄化装置において、接地電極を構成する構造体は、開口部の形状が四角形または六角形を含む多角形、あるいは円形または楕円形を含む丸形に形成された金属メッシュであることを特徴とする。
接地電極を構成する構造体として金属メッシュを使用できる。その金属メッシュに形成される開口部の形状は、必ずしも網目状（四角形）である必要はなく、四角形または六角形を含む多角形、あるいは円形または楕円形を含む丸形などを採用できる。
【０００９】
（請求項４の発明）
請求項３に記載した排気浄化装置において、複数枚の金属メッシュを排気流れ方向に重ねて配置、あるいは所定距離だけ離して配置していることを特徴とする。
金属メッシュは、１枚である必要はなく、複数枚の金属メッシュを排気流れ方向に重ねて配置、あるいは所定距離だけ離して配置することにより、圧損を増加させることなく、凝集効果を高めることが可能である。
【００１０】
（請求項５の発明）
請求項１または２に記載した排気浄化装置において、接地電極を構成する構造体は、排気流れ方向に奥行きを有する多孔質体であることを特徴とする。
接地電極を構成する構造体として、奥行きを有する多孔質体を使用することにより、接地電極の表面積が大きくなるので、凝集効率が高まると共に、多孔質体の内部をＰＭが通過する際に、壁面への衝突による凝集効果も期待できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明を実施するための最良の形態を以下の実施例により詳細に説明する。
【実施例１】
【００１２】
図１は排気浄化装置の構成を示す断面図である。
実施例１に示す排気浄化装置は、図１に示す様に、内燃機関（例えば、ディーゼルエンジン）の排気通路に配設される凝集器１を備えている。
この凝集器１は、排気管２に接続されて排気通路の一部を形成するハウジング３と、このハウジング３に取り付けられる放電電極４と、この放電電極４より排気流れ方向の下流側に配置される接地電極（金属メッシュ５）とを備えている。
【００１３】
ハウジング３は、金属製（例えばＳＵＳ）であり、排気管２より外径が大きい円筒形状に設けられて、アース接続されている。このハウジング３は、円筒形状の中心軸が天地方向を向いて配置されると共に、凝集器１より上流側に配設される排気管２がハウジング３の上部側面に接続されて、ハウジング３の内部を図１に示す上から下へ向かって排気ガスが流れる様に構成されている。
【００１４】
放電電極４は、棒状に設けられて、筒状の碍子６に絶縁保持され、その碍子６を介してハウジング３の上端面３ａの中央部に取り付けられている。放電電極４の一端側は、ハウジング３の内部に突出して、その先端部が碍子６より露出している。また、先端部には、例えば、星形状に径方向に突出する多数の突起７が設けられている。放電電極４の先端部に多数の突起７を設けることにより、放電率を高めることができ、且つハウジング３の内部に均等にコロナ放電を発生させることが可能となる。放電電極４の他端側は、ハウジング３の外部に取り出され、碍子６より露出する後端部が図示しない直流高電圧電源に接続される。
【００１５】
接地電極は、図２に示す様に、多数の通気孔５ａ（本発明の開口部）を有する円形状の金属メッシュ５によって形成される。この金属メッシュ５は、ハウジング３の内部を流れる排気流れと直交するように、ハウジング３の内部を横切って配置され、自身の外周縁がハウジング３の内周面に固定されて、そのハウジング３を介してアース接続されている。なお、金属メッシュ５の通気孔５ａは、特定の形状に限定されるものではなく、例えば、図３に示す様に、（ａ）四角形、（ｂ）円形、（ｃ）六角形等が考えられる。
【００１６】
この金属メッシュ５は、通気孔５ａの開孔率（排気流れ方向に対する金属メッシュ５の全投影面積に占める全通気孔５ａの面積割合）が３０％〜９０％に設定されている。
また、個々の通気孔５ａは、凝集して粗大化したＰＭ群の通過を妨げない程度の大きさを有している。具体的には、図３に示す様に、通気孔５ａに内接する内接円の直径（通気孔５ａが円形の場合は、その内径）を目開きｄと定義した場合に、この目開きｄが０．５ｍｍ〜２ｍｍに設定されている。
【００１７】
金属メッシュ５の取付け位置は、放電電極４の先端部（突起７）と金属メッシュ５との距離（軸方向距離）が、放電電極４の先端部（突起７）とハウジング３の内周面との距離（径方向距離）よりも長くなる様に配置することが望ましい。これにより、排気ガス流量が少ない低流量時には、主にハウジング３の内周面にてＰＭを凝集させ、排気ガス流量が多い高流量時には、排気流れによってハウジング３の内周面へ移動できないＰＭを、排気流れと直交する様に配置された金属メッシュ５で凝集させることができる。
【００１８】
次に、本実施例の排気浄化装置の作動を説明する。
ａ）排気ガス流量が少ない低流量時（図４参照）
放電電極４に直流高電圧電源から負の直流高電圧（例えば、−２０ＫＶ）を印加すると、先端部（突起７）の近傍にコロナ放電が発生して電子が放射され（図中１）、電子親和性の高い酸素がマイナスイオン化する（図中２）。このイオン化した酸素が付近のＰＭに付着すると、負に帯電したＰＭ（図中３）がクーロン力および排気流れによって移動する。但し、低流量時には、排気流れが弱いため、帯電したＰＭは、クーロン力によって主にハウジング３の内周面に引き付けられ（図中４）、ＰＭ同士が凝集して粗大化する（図中５）。粗大化したＰＭ群は、アース接続されたハウジング３に電子を放出（図中６）した後、自重により、または排気流れにより、ハウジング３の内周面から離脱して、金属メッシュ５の通気孔５ａを通過して下流へ移動する（図中７）。
【００１９】
ｂ）排気ガス流量が多い高流量時（図５参照）
この高流量時には、低流量時より排気流れが強くなるため、クーロン力によってハウジング３の内周面に引き付けられるＰＭが減少し、排気流れによって移動するＰＭが増大する（図中４）。その結果、排気流れによって移動するＰＭが金属メッシュ５に引き付けられ、その金属メッシュ５にてＰＭ同士が凝集して粗大化する（図中５）。粗大化したＰＭ群は、低流量時の場合と同様に、アース接続された金属メッシュ５に電子を放出（図中６）した後、自重により、または排気流れにより、金属メッシュ５から離脱して、金属メッシュ５の通気孔５ａを通過して下流へ移動する（図中７）。
【００２０】
（実施例１の効果）
上記の凝集器１では、放電電極４の下流側に接地電極を形成する金属メッシュ５を有し、その金属メッシュ５がハウジング３の内部を流れる排気流れと直交するように、ハウジング３の内部を横切って配置されている。この構成によれば、例えば、排気流れが強くなる高流量時に、ＰＭが排気流れに押し流されてハウジング３の内周面に凝集できなくなる場合でも、金属メッシュ５に引き付けられることで、その金属メッシュ５にて凝集できる。その結果、低流量時だけでなく、高流量時においても、効率良くＰＭを凝集できる。
【００２１】
また、実施例１に記載した金属メッシュ５は、通気孔５ａの開孔率が３０％〜９０％に設定されるので、圧損を悪化させない範囲で所望の凝集効果を得ることができる。すなわち、通気孔５ａの開孔率が小さくなると、金属メッシュ５の表面積が広くなることで凝集効果は高くなるが、その反面、圧損が増大する。そこで、開孔率と圧損との関係から開孔率の最小値を求めると、図６に示す様に、圧損既定値を満足できる最小の開孔率＝３０％となる。また、通気孔５ａの開孔率が９０％を超えると、圧損は小さくなるが、金属メッシュ５の製造自体が困難になる。従って、通気孔５ａの開孔率を３０％〜９０％に設定することで、圧損を悪化させることなく、凝集効果の高い凝集器１を実現できる。
【００２２】
さらに、金属メッシュ５は、通気孔５ａの目開きｄが０．５ｍｍ〜２ｍｍに設定されている。この目開きｄを小さくすると、凝集性能は向上するが、圧損が大きくなる。一方、目開きｄを必要以上に大きくすると、凝集性能が低下する。そこで、排気流速との関係から目開きｄの最小値を求めると、図７に示す様に、最大排気流速を２０ｍ／秒とした場合に、圧損既定値を満たす目開きｄの最小値＝０．５ｍｍとなる。つまり、排気流速が最大２０ｍ／秒までの領域では、目開きｄを０．５ｍｍ以上に設定すれば、圧損既定値を満たすことができる。
【００２３】
一方、凝集性能との関係から目開きｄの最大値を求めると、図８に示す様に、凝集既定値を満たす目開きｄの最大値＝２ｍｍとなる。つまり、目開きｄが２ｍｍを超えると、所望の凝集性能が得られなくなる。
上記の結果、通気孔５ａの目開きｄ＝０．５ｍｍ〜２ｍｍに設定することにより、目詰まりを生じることなく、所望の凝集性能を確保できる。
【００２４】
（変形例）
実施例１では、接地電極として金属メッシュ５を使用する例を記載したが、この金属メッシュ５を複数枚重ねて使用することもできる。あるいは、複数枚の金属メッシュ５を所定距離だけ離して配置することもできる。
また、金属メッシュ５以外にも、排気流れ方向に奥行きを有する多孔質体（例えば、メタルハニカム等）を接地電極として使用することもできる。
実施例１では、凝集器１を天地方向に向けて配置しているが、排気管２の延長方向（水平方向）に配置しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】排気浄化装置の構成を示す断面図である。
【図２】金属メッシュの平面図である。
【図３】目開きの定義を説明する通気孔の平面図である。
【図４】凝集器の作動説明図である（低流量時）。
【図５】凝集器の作動説明図である（高流量時）。
【図６】金属メッシュの開孔率と圧損との関係を示す図である。
【図７】排気流速と目開きとの関係を示す図である。
【図８】目開きと平均粒径との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００２６】
１    凝集器
４    放電電極
５    金属メッシュ（接地電極、導電性の構造体）
５ａ  通気孔（開口部）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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